英文原题：Applications of Graphene in Five Senses, Nervous System, and Artificial Muscles
通讯作者：逄金波，周伟家，刘宏，济南大学前沿交叉科学研究院；Mark H. Rümmeli，德国莱布尼茨固态与材料研究所
作者：Jinbo Pang,*, Songang Peng, Chongyang Hou, Hongbin Zhao, Yingju Fan, Chen Ye, Nuo Zhang, Ting Wang, Yu Cao, Weijia Zhou,* Ding Sun, Kai Wang, Mark H. Rümmeli,* Hong Liu,* and Gianaurelio Cuniberti
引言：
由于石墨烯具有良好的生物相容性，其在生物医学应用中仍然具有极大的研究兴趣。与人类感官有关的疾病会干扰生活满意度和幸福感。因此，通过人工器官或感觉修复装置可以通过患者的感觉修复带来光明的未来。在这篇综述中，我们更新了基于石墨烯的用于模拟人类感官的传感器的最新进展，例如图像传感器的人造视网膜、人造耳膜、嗅觉传感、味觉感器、电子皮肤。基于晶体管和忆阻器相关的神经形态计算，以及讨论了类脑处理器。此外，基于石墨烯的人造肌肉总结为致动器，以便对物理世界做出反应。未来仍有机会利用石墨烯提高类人传感器及其临床应用的性能。
成果简介：
在该论文中，首先介绍了石墨烯的分类和各种类型的优缺点以及石墨烯研究的新趋势，然后我们更新了基于石墨烯传感系统的最新进展，包括传感器、忆阻器和致动器等。
示意图1 基于石墨烯的感觉神经系统，包括传感器、记忆器、突触和致动器，用于通过五种感官模拟人类感知
下面我们摘取文章中几个片段进行简单介绍。
通过使用Al2O3/Li+/Al2O3双电层作为电介质修改场效应晶体管实现了人工视网膜，这提供了突触重量。电导状态可以通过光学、电学和离子方法来调节。突触的可塑性可以随施加的栅极电压而改变（图1）。这里，负电压降低了沟道电流，正电压增强了电流。
这种视网膜装置已经显示出突触的典型特征。当脉冲门电压为3V持续0.5s时，兴奋性突触后电流（PSC）达到2nA作为峰值，并逐渐消失，这类似于短期记忆。抑制性突触后电流可通过−3 V的脉冲电压调节0.5 s。脉冲电压的持续时间较长，短期可塑性转变为长期增强，即更大的PSC。随着脉冲数的增加，突触的连接增强，从而证明了尖峰数依赖性可塑性。
使用视网膜网络进行处理后，识别率提高到83%，比未进行预处理的高出约10%。事实上，视网膜可以清楚地检测到数字5。基于石墨烯晶体管的人工视网膜在人工智能的模式识别中具有巨大潜力。
图1. 基于石墨烯的人工视网膜模式识别。（a） 人类视觉对图像的感知。（b）10×10人工视网膜阵列，用于对第五个图像的像素强度进行预处理。（c） 用于数字5识别的人工神经网络。
使用PDMS/液态金属/N掺杂石墨压力传感器的响应/恢复时间达到0.41 s/0.12 s，灵敏度为476 kPa−1。与无法实时准确检测脉搏跳动、皮肤按压和其他人体活动的传统传感器相比，该传感器有效地简化了制造原型。它可以拓宽液态金属在电子皮肤设计中的潜力。
图2. PDMS/液态金属/N掺杂石墨烯基压力传感器，用于实时监测关节运动。（a） 人体模型方案。（b） 使用输出电流实时监测手腕处的脉冲。（c） 一个周期的脉冲信号。（d） 吞咽时传感器的响应。（e） 手指按不同力时的输出电流。
脉冲信号传输发生在基于石墨烯晶体管的的人工突触上。现在我们转向用于神经接口的石墨烯基晶体管。神经接口可以提供电刺激，记录神经系统的活动。石墨烯显示了生物相容性的优势， 它可以容纳神经细胞，并对组织执行电刺激。此外，石墨烯可以修改细胞界面，以调节神经元通信。事实上，石墨烯通过改变细胞外离子在膜上的分布来促进神经元放电。
图3. 用于脉冲传输的石墨烯突触晶体管。（a）晶体管的照片和（b）方案。（c）方案和（d）在脉冲栅极电流调节下测量低电导态和高电导态。（e）传输曲线。（f）20个写入脉冲的电导状态训练。
结论与展望：
石墨烯研究经历了巨大的进步，但石墨烯研究的局限性仍然存在于材料合成和器件制造中。首先，平面单晶单层石墨烯的控制生长仍然是一个挑战，即不同批次之间的再现性。其次，尺寸控制变得困难，即剥离纳米片和量子点的横向宽度和垂直厚度。第三，沟道宽度和长度可以在基于石墨烯的晶体管中统一，以标准化制造协议和器件性能。第四，将石墨烯集成到传感器及其封装中可能为传感器和相关集成电路的工业制造铺平道路。总之，石墨烯研究为器件、表面化学和基础物理的技术升级带来了光明的未来。
基于石墨烯器件的人工智能具有体积小、能耗低、生物相容性高的优点。三种应用（图4），即感测、处理和致动，仍有很多未被探索的地方。因此，项石墨烯研究仍有巨大的机会，供人类利益。在系统级集成传感器、存储器、微型计算机和致动器时，需要填补巨大的空白。探索仍在进行中，包括传感器内存、传感器记忆一体计算和事件驱动的神经形态计算，因此，基于互补金属氧化物半导体器件、数字逻辑电路和中央处理单元的创新型柔性电子和传统半导体系统的混合。我们预计石墨烯相关传感、记忆、计算和驱动方面的研究将蓬勃发展。
图4.通过传感器、数据处理和驱动的集成和数据融合实现基于石墨烯的人工智能
事实上，基于石墨烯的市场级电子产品的开发仍处于起步阶段，即石墨烯的耳机、扬声器和环境湿度传感器的成本降低。
更多类似人类的感觉，如平衡、加速和疼痛，应作为早期原型进行演示。人类健康相关石墨烯研究可能通过老化和智能假体揭示腐烂器官。石墨烯器件的商业化可能逐渐接近。
通讯作者简介：
逄金波 副教授
Email: ifc_pangjb@ujn.edu.cn
济南大学前沿交叉科学研究院副教授、校特聘岗位教师，硕士生导师。主要从事二维材料控制生长研究，致力于解决石墨烯、过渡金属硫族化合物和贵金属硫族化合物等二维材料热沉积生长过程中的热力学和动力学等科学问题，实现了晶圆级高一致性二维材料的可控生长，并展示了其在大面积电子光电器件阵列的应用前景。主持山东省优秀青年基金，国家自然科学基金青年基金，山东省自然科学基金、国家重点实验室开放课题（2）等国家省部级项目5项。以（共同）第一或通讯作者在ACS Nano、Adv Energy Mater、InfoMat (3) 、Nano-Micro Lett (2)、Chem Soc Rev、ACS Energy Lett、Small、Adv Opt Mater (2)、Nano Res (2)、ACS Sens (2)等期刊发表SCI收录论文35篇，被引4387次，H因子34；担任eScience、Front Chem Sci Eng和InfoMat期刊青年编委；申请发明专利3项，获批1项，进入实审2项。
网页：
https://orcid.org/0000-0001-6965-4166
https://www.webofscience.com/wos/author/rid/B-3972-2010
刘宏 教授
Email: hongliu@sdu.edu.cn
山东大学晶体材料国家重点实验室教授，济南大学前沿交叉科学研究院院长，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向：组织工程与干细胞分化、生物传感与体外诊断、光电材料与纳米能源等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。2004至今，在包括Adv. Mater., Nano Letters，ACS Nano，J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater，Energy Environ. Sci.等学术期刊上发表SCI文章400余篇，其中，影响因子大于10的超过110篇，个人文章总被引次数超过30000次，H因子为81，50余篇文章被Web of Science的ESI选为高被引用论文，文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文、2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018-2022连续五年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。应邀在化学顶尖期刊Chemical Society Review和材料顶尖期刊Advanced Materials和 Advanced Energy Materials上发表综述性学术论文，在国际上产生重要影响。2022年担任BMEMat主编。授权专利40余项，分别在有关生化传感器和人工晶体方面进行了千万元专利成果转让，与企业合作进行产业化生产。2019年获山东省自然科学奖一等奖。
网页：
https://orcid.org/0000-0003-1640-9620
https://www.webofscience.com/wos/author/rid/D-7288-2019
第一作者简介：
侯崇洋 硕士生
侯崇洋，济南大学，前沿交叉科学研究院化学专业2022级硕士生。导师：逄金波副教授，方向是二硒化钯等贵金属硫族化合物的热沉积法生长及光电子应用。在包括Small、ACS Sensors、Nano Research等期刊发表3篇（共同）第一作者的SCI论文，合作发表（或在投） SCI论文5篇，参加学术会议3次。
网页：
https://orcid.org/0000-0001-6992-8104
https://www.webofscience.com/wos/author/record/HLP-8307-2023
ACS Sens. 2023, ASAP
Publication Date: February 3, 2021
https://doi.org/10.1021/acssensors.2c02790
Copyright © 2023 American Chemical Society
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